智能型煤矿电网防越级跳闸保护系统研究

智能型煤矿电网防越级跳闸保护系统研究

任自立

山西焦煤霍州煤电辛置煤矿维运队山西省霍州市031412

摘要：煤矿供电网在出现短路故障时容易发生越级跳闸事故，导致井下大面积停电，引起瓦斯积聚，威胁矿井安全。本文分析了矿井供电系统的特点以及越级跳闸事故的原因，在深入研究防越级跳闸工作原理及特性的基础上，提出一种煤矿供电防越级跳闸保护系统的应用方案解决了煤矿供电系统广泛存在的越级跳闸技术难题，能有效保障煤矿供电系统的可靠性和矿井的安全性。

关键词：智能型煤矿电网；防越级跳闸；保护系统

随着煤矿井下供电量不断增大，电网电压的不断升高以及供电距离的不断加长，对矿井供电系统的可靠性、安全性和连续性的要求越来越高，恶劣的井下工作环境，使电气设备绝缘强度逐渐降低，同时由于操作人员维护不当或操作错误等原因，经常会发生漏电及单相接地故障，因煤矿供电特点，使得下级支路发生短路故障时，未端的短路电流和始端的短路电流在大小上相差无几，导致上级速断保护启动，造成越级跳闸，甚至越过多级跳闸。本文基于智能变电站思想，解决越级跳闸问题。

一、越级跳闸原因分析

（一）保护定值整定方法不合理。在一般断路、短路设置上，发生短路后沿线保护均启动，因为速断保护定值按躲过最大负荷电流整定，比按短路电流整定得到的值要小得多。

（二）短线路造成保护定值无法区分。（1）短线路短路电流的变化平缓，始未端短路电流差值小，按躲过线路未端最大短路电流整定，一般保护灵敏度（2）电力系统规程建议在灵敏度小于1的情况下不适宜装设电流速断保护，但是煤炭规程规定井下必须装设速断保护，不准甩掉不用。（3）按同一灵敏系数法整定，造成线路在最小运行方式下有保护范围，然而在最大运行方式下可能发生越级跳闸。

（三）尖压脱扣保护导致越级跳闸。井下高压隔爆开关失压保护为2级，一级是保护装置带的，一般可整定；一级是开关带的失压脱扣线圈，动作值及时间不可整定。馈线距离母线很近的地方发生短路故障时母线电压短时失压，该段母线上其他开关的失压保护误动作导致“越级跳闸”

二、越级跳闸常用解决方案分析

（一）电气闭锁防越级跳闸技术方式

这种技术目的清晰明确，原理简单，且闭锁系统经济成本小，适合大部分中小型煤矿使用。煤矿井下作业开采时，供电效果对周围温度、地表湿度、大气压强等环境因素有较高要求。使用电气闭锁防越级跳闸时，电缆中的电气闭锁信号在超远距离传输过程中，电磁波会对进行干扰，从而出现信号错乱或中断，使中央控制系统根据错误信号发出指令，造成电气闭锁控制误跳或拒动，煤矿供电网络越级跳闸无法有效控制和处理。另一方面，电气闭锁防越级跳闸系统发挥功能需要多条电缆线路采用串联、并联、混连的方式来完成。同一变电所内部要有逻辑闭锁器实现多条出线，单条进线的电气闭锁方式。目前，煤炭企业供电方式多采用两个系统回路，保证供电线路检修工作不会影响日常生产。这就要求，加大了变电所内部逻辑闭锁器的设计施工难度，电气闭锁需要根据煤炭供电网络实际情况做出相应调整。由于工作人员技术水平参差不齐，调整电气闭锁系统的电缆连接方式时，影响煤矿供电网络的线路运行，造成电线短路，影响了供电系统的防越级跳闸控制和预防效果。电气闭锁系统自身信息不完整，供电网络出现问题和故障时，无法及时发出信号进行处理，难以对煤矿供电网络越级跳闸做出准确判断并加以控制，这也是电气闭锁系统防越级跳闸的一大局限。

（二）分站集中控制的防越级跳闸技术

分站集中控制的防越级跳闸技术造价也较为昂贵，对操作人员的信息技术水平要求较高一些。基于分站集中控制手段的防越级跳闸技术，要求在供电系统内部至少安装一台分站设备，并与周围一定区域内的防越级跳闸开关建立联系，形成一个小型局域网。在煤炭的并下开采作业中，加里其外线路出现短路断路和漏电的情况，防越级跳闸开关首先检测到故障信号，通过计算机网络将信号传递到供电系统内部的分站设备，分站根据储存在计算机数据库中煤矿供电网络的位置信息，自动识别电缆线路故障点，分析周围的防越级跳闸开关的位置信息，命令最近的控制开关进行跳闸保护，这就是分站集中控制防越级跳闸系统的实现过程。这种方式的优点是灵敏度高，位置判断精准，对电路故障能在第一时间作出处理。但对通信系统依赖性较高，一旦通信系统发生故障和停止工作，分站集中控制防越级跳闸系统将无法准确判断出故障点，或对开关跳闸命令的发出存在延迟。严重时整个系统会处于瘫痪状态，影响煤矿供电网络防越级跳闸作用的发挥。

（三）基于全网数据共享的数字化变电站防越级跳闸技术

与分站集中控制的防越级跳闸技术相似，数字化变电站防越级跳闸技术系统采用的数据传输通道是光纤。发生越级跳闸故障时，井下故障电缆处的高开保护器和地面变电站保护器会通过光纤通信管道将故障信息传送到基于全网数据共享的数字化变电站中的合并单元结构部分，该部分通过对各条线路采集来的信息逐一排除，最终确定短路故障点，然后控制临近防越级跳闸开关执行跳闸保护动作，完成越级跳闸的预防和控制。实际应用中，由于井下的高开保护器是危险设备，加之煤矿井下作业空气闭塞、明火易爆的工作环境，对这种设备的结构设计和性能优化要首先考虑安全性，还要注意与变电所的电磁设备在工作原理和设计依据上的差异。

另外，基于全网数据共享的数字化变电站防越级跳闸技术的物质基础和理论依据是智能传感器和光纤信息通信技术，发挥作用时要与电压互感器、电流互感器、控制回路和二级设备等多种设备进行配合，极大增加了煤矿供电网络的管理成本，浪费了大量人力和资金。

三、纵联差动保护的防越级跳闸技术与应用

基于纵联差动保护系统的防越级跳闸技术，弥补上述三种常用防越级跳闸技术的局限性。这项技术能有效保护故障信号免受外界环境的干扰，保障供电网络故障排除工作的顺利进行。这项技术主要借鉴地面光纤的纵联电流差动保护原理，通过常规三段式过电流保护功能，对于煤矿井下供电系统中有上下级供电关系的多台高开保护器进行纵向联机通信关系建立，在短路故障问题发生时，做好相对应的检测技术。首先对故障点进行准确辨识和定位，其次在最近距离内进行跳闸保护，以保证电路的安全。从而实现供电网络的越级跳闸控制，保障煤矿生产工作的正常运行。这种技术最大的特点在于机动性强，辨识度高。

结语：目前，与煤矿供电网络常用的三种防越级跳闸技术方式相比，基于纵联差动保护的防越级跳闸技术，是一种相对成熟且操作简单的技术方式。这项技术可根据不同煤矿的生产规模、生产能力、生产水平，做出适当调整。在发生煤矿供电网故障时，第一时间排除故障，保障了煤矿供电系统的安全性、稳定性，为企业安全生产、有序管理提供了有力的保障，具有显著的经济效益和社会效益。

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